Ce cours sur les fonctions exponentielles pour la 2ème Bac PC et SVT couvre les propriétés, les limites, la dérivée et la résolution d’équations, avec exercices corrigés. Retrouvez les autres leçons dans la catégorie 2Bac PC-SVT.
Cours de fonctions exponentielles 2ème Bac
Fonctions exponentielles
Cours complet, expliqué pas à pas, avec des exemples résolus et des exercices corrigés.
à maîtriser
1La fonction exponentielle népérienne
- exp est continue et strictement croissante sur ℝ, et ex > 0 pour tout réel x.
- Pour tout réel x : ln(ex) = x. Pour tout x > 0 : eln x = x.
- Pour y > 0 : ex = y ⇔ x = ln y.
- e⁰ = 1 et e¹ = e.
- Les courbes de ln et de exp sont symétriques par rapport à la droite y = x.
- eln 24 = 24 et ln(e13) = 13.
- eln 5 + ln 2 n’est pas à calculer directement : on écrit ln 5 + ln 2 = ln 10, donc le nombre vaut 10.
- ex = 7 ⇔ x = ln 7.
2Propriétés algébriques
- ea + b = ea × eb
- ea − b = eaeb ; e−b = 1eb
- (ea)r = era ; par exemple (ex)³ = e3x et √(ex) = ex/2
- e2x = (ex)² = ex × ex ; enx = (ex)n
- ex × e−x = e⁰ = 1
- Ces règles marchent aussi pour eu(x) : eu(x) + v(x) = eu(x) × ev(x).
- e2x + 1ex − 1 = e(2x + 1) − (x − 1) = ex + 2.
- (ex + e−x)² − (ex − e−x)² = 4 ex e−x = 4.
- ex1 + ex = 1e−x + 1 (on divise par ex en haut et en bas).
3Équations et inéquations avec exp
- ea = eb ⇔ a = b
- ea < eb ⇔ a < b (même sens pour ≤, >, ≥)
- ex = y ⇔ x = ln y (pour y > 0) ; ex > y ⇔ x > ln y (pour y > 0)
Alors ex = 1 ⇔ x = 0, et ex = 2 ⇔ x = ln 2. S = {0 ; ln 2}.
- Ramène l’équation à la forme eA = eB (ou eA = nombre positif).
- Si on voit e2x et ex : pose X = ex et résous l’équation en X (en gardant X > 0).
- Retourne à x avec ln : x = ln X.
4Limites
- limx→+∞ ex = +∞ ; limx→−∞ ex = 0 (la droite y = 0 est asymptote horizontale en −∞).
- limx→0 ex − 1x = 1
- Croissances comparées (n ∈ ℕ*) :
limx→+∞ exxn = +∞ ; limx→+∞ xn e−x = 0 ; limx→−∞ xn ex = 0
5Dérivée et primitives
En particulier, les primitives de eax + b (a ≠ 0) sont 1a eax + b + c.
- f(x) = e5x³ − 3x : f′(x) = (15x² − 3) e5x³ − 3x.
- g(x) = x ex : g′(x) = ex + x ex = (x + 1) ex.
- h(x) = e−x² : h′(x) = −2x e−x².
- k(x) = exex + 1 : k′(x) = ex(ex + 1) − ex × ex(ex + 1)² = ex(ex + 1)².
- f(x) = x e3x² + 1 : avec u = 3x² + 1, u′ = 6x, donc f = 16 u′ eu et F(x) = 16 e3x² + 1 + c.
- f(x) = e2x + 1 : F(x) = 12 e2x + 1 + c.
- f(x) = ex(1 + ex)² : avec u = 1 + ex, f = u′u² et F(x) = −11 + ex + c.
6Étude de la fonction f(x) = ex
- Domaine : ℝ. f est continue et dérivable, et f′(x) = ex > 0 : f est strictement croissante.
- limx→−∞ ex = 0 (asymptote horizontale y = 0) et limx→+∞ ex = +∞.
- f(0) = 1 : la courbe passe par le point (0 ; 1), et f(1) = e.
- Tangente en 0 : y = f′(0)(x − 0) + f(0) = x + 1.
- f″(x) = ex > 0 : la courbe est convexe, donc au-dessus de toutes ses tangentes.
- Branche infinie en +∞ : exx → +∞, donc branche parabolique de direction l’axe des ordonnées.
| x | −∞ | +∞ | |
|---|---|---|---|
| f′(x) | + | ||
| f(x) | 0 | ↗ | +∞ |
7Étude d’une fonction contenant ex : un exemple complet
- Domaine de définition.
- Limites aux bornes et branches infinies (asymptotes).
- Dérivée : factoriser par e…, puis étudier le signe. (Comme e… > 0, le signe vient du facteur restant.)
- Tableau de variations, extremums.
- Dérivée seconde : concavité, point d’inflexion.
- Tracé.
- Domaine : Df = ℝ.
- Limites :
- En +∞ : f(x) = x e−x + e−x → 0 + 0 = 0 (croissances comparées). La droite y = 0 est asymptote horizontale en +∞.
- En −∞ : x + 1 → −∞ et e−x → +∞, donc f(x) → −∞. De plus f(x)x = (1 + 1x) e−x → +∞ : branche parabolique de direction l’axe des ordonnées.
- Dérivée : f′(x) = e−x + (x + 1)(−e−x) = e−x(1 − x − 1) = −x e−x. Comme e−x > 0, f′(x) a le signe de −x.
- Valeurs : f(0) = 1 (maximum), f(−1) = 0.
| x | −∞ | 0 | +∞ | ||
|---|---|---|---|---|---|
| f′(x) | + | 0 | − | ||
| f(x) | −∞ | ↗ | 1 | ↘ | 0 |
- Dérivée seconde : f″(x) = −e−x + x e−x = (x − 1) e−x. f″ < 0 sur ]−∞, 1[ (concave), f″ > 0 sur ]1, +∞[ (convexe). f″ change de signe en 1 : le point d’abscisse 1, de coordonnées (1 ; 2e), est un point d’inflexion.
- Tangente en 0 : f′(0) = 0, donc la tangente en (0 ; 1) est horizontale : y = 1.
8Fonction exponentielle de base a
- ax + y = ax ay ; ax − y = axay ; a−x = 1ax ; (ax)y = axy
- loga(ax) = x ; aloga x = x (pour x > 0)
- ax = y ⇔ x = loga y = ln yln a (pour y > 0)
- Pour a = 10 : 10x = y ⇔ x = log y (logarithme décimal).
| a > 1 (ln a > 0) | 0 < a < 1 (ln a < 0) | |
|---|---|---|
| Variations | strictement croissante | strictement décroissante |
| Limite en +∞ | +∞ | 0 |
| Limite en −∞ | 0 | +∞ |
- f(x) = e(x³ − x) ln 3.
- En +∞, x³ − x → +∞ donc f(x) → +∞. En −∞, x³ − x → −∞ donc f(x) → 0.
- f′(x) = (3x² − 1)(ln 3) 3x³ − x. Comme ln 3 > 0 et 3… > 0, le signe de f′ est celui de 3x² − 1.
- 2x = 5 ⇔ x = ln 5ln 2 (≈ 2,32).
- 32x − 1 = 9 = 3² ⇔ 2x − 1 = 2 ⇔ x = 32.
| ex | ln a | ax = ex ln a | Variations de ax |
|---|---|---|---|
9Que faire dans un exercice ?
| La question | Le réflexe |
|---|---|
| Simplifier une expression avec e… | eaeb = ea+b, eaeb = ea−b, (ea)n = ena. |
| Résoudre eA = eB ou eA ≤ eB | Passer aux exposants : A = B (ou A ≤ B). |
| Résoudre ex = y | Vérifier y > 0, puis x = ln y. |
| Équation avec e2x et ex | Poser X = ex (X > 0), résoudre, revenir avec ln. |
| Limite avec x et ex | Croissances comparées ; sinon factoriser par ex. |
| Limite de eu(x) | Calculer lim u(x) = L, puis eL (0 si L = −∞, +∞ si L = +∞). |
| Dériver eu | (eu)′ = u′ eu. Puis factoriser par eu. |
| Étudier le signe de f′ | e… > 0 : le signe est celui du facteur restant. |
| Primitive de u′ eu | eu. Ajuster avec une constante si besoin. |
| Fonction ax | Écrire ax = ex ln a, puis tout se fait avec e. |
10Erreurs à éviter
11Exercices d’entraînement corrigés
Cherche d’abord seul(e) sur ton cahier, puis ouvre la solution pour vérifier.
Simplifier : (a) (ex)² × e−x (b) e2x + 1ex − 1 (c) (ex + e−x)² − (ex − e−x)².
Voir la solution
(a) e2x × e−x = ex.
(b) e(2x + 1) − (x − 1) = ex + 2.
(c) Avec (A + B)² − (A − B)² = 4AB : 4 ex e−x = 4.
Résoudre dans ℝ : (a) e2x − 1 = ex + 3 (b) ex = −2 (c) e2x − 3ex + 2 = 0 (d) ex + 1 ≤ e6x + 2 (e) ex > 5.
Voir la solution
(a) 2x − 1 = x + 3 ⇔ x = 4. S = {4}.
(b) ex > 0 pour tout x : S = ∅.
(c) X = ex : X² − 3X + 2 = 0 ⇔ X = 1 ou X = 2, donc x = 0 ou x = ln 2. S = {0 ; ln 2}.
(d) x + 1 ≤ 6x + 2 ⇔ x ≥ −15. S = [−15, +∞[.
(e) x > ln 5. S = ]ln 5, +∞[.
Calculer : (a) limx→+∞ x² e−x (b) limx→+∞ (ex − x) (c) limx→0 e3x − 1x (d) limx→−∞ x ex (e) limx→+∞ ex + 1ex − 1 (f) limx→0⁺ e1/x.
Voir la solution
(a) Croissances comparées : 0.
(b) ex(1 − xex) → (+∞) × 1 = +∞.
(c) 3 × e3x − 13x → 3 × 1 = 3.
(d) Croissances comparées en −∞ : 0.
(e) On divise par ex : 1 + e−x1 − e−x → 1.
(f) 1x → +∞ donc e1/x → +∞.
Calculer la dérivée de : (a) f(x) = (x² − x) ex (b) g(x) = e2x1 + ex (c) h(x) = e−x².
Voir la solution
(a) f′(x) = (2x − 1)ex + (x² − x)ex = (x² + x − 1) ex.
(b) g′(x) = 2e2x(1 + ex) − e2x ex(1 + ex)² = e2x(ex + 2)(1 + ex)².
(c) h′(x) = −2x e−x².
Déterminer une primitive de : (a) f(x) = 2x ex² (b) f(x) = e3x − 1 (c) f(x) = ex(1 + ex)² (d) f(x) = x e−x².
Voir la solution
(a) u = x², f = u′eu : F(x) = ex².
(b) F(x) = 13 e3x − 1.
(c) u = 1 + ex, f = u′u² : F(x) = −11 + ex.
(d) u = −x², u′ = −2x, f = −12 u′eu : F(x) = −12 e−x².
Soit f(x) = x e−x. Étudier f : limites, dérivée, tableau de variations, concavité et point d’inflexion.
Voir la solution
Limites : en +∞, f(x) = x e−x → 0 (croissances comparées) : asymptote y = 0. En −∞, x → −∞ et e−x → +∞, donc f(x) → −∞.
Dérivée : f′(x) = e−x − x e−x = (1 − x) e−x. Signe de 1 − x : f est croissante sur ]−∞, 1], décroissante sur [1, +∞[. Maximum f(1) = 1e.
Dérivée seconde : f″(x) = −e−x − (1 − x)e−x = (x − 2) e−x. f″ < 0 sur ]−∞, 2[ (concave), f″ > 0 sur ]2, +∞[ (convexe). Point d’inflexion (2 ; 2e²).
(1) Résoudre 2x = 5 et 32x − 1 = 9. (2) Dériver f(x) = 2x². (3) Calculer limx→+∞ (13)x.
Voir la solution
(1) 2x = 5 ⇔ x = ln 5ln 2. 32x − 1 = 3² ⇔ 2x − 1 = 2 ⇔ x = 32.
(2) f(x) = ex² ln 2, donc f′(x) = 2x (ln 2) ex² ln 2 = 2x (ln 2) 2x².
(3) 0 < 13 < 1 donc (13)x = e−x ln 3 → 0.
Soit g(x) = ex − x − 1. (1) Étudier les variations de g. (2) En déduire que ex ≥ x + 1 pour tout réel x. (3) En déduire limx→+∞ ex.
Voir la solution
(1) g′(x) = ex − 1. g′(x) < 0 pour x < 0 et g′(x) > 0 pour x > 0 : g est décroissante sur ]−∞, 0] et croissante sur [0, +∞[. Minimum g(0) = 1 − 0 − 1 = 0.
(2) Donc g(x) ≥ 0 pour tout x : ex ≥ x + 1.
(3) lim (x + 1) = +∞ et ex ≥ x + 1, donc lim ex = +∞.
★Fiche résumé à retenir
- Définition : exp est la réciproque de ln. ex > 0 ; ln(ex) = x ; eln x = x (x > 0) ; ex = y ⇔ x = ln y.
- Règles : ea+b = eaeb ; ea−b = eaeb ; (ea)r = era.
- Équations : ea = eb ⇔ a = b ; ea < eb ⇔ a < b ; poser X = ex pour une équation du second degré.
- Limites : ex → +∞ (+∞), 0 (−∞) ; ex − 1x → 1 en 0 ; croissances comparées : exxn → +∞ ; xne−x → 0.
- Dérivée : (ex)′ = ex ; (eu)′ = u′eu. Primitive : u′eu → eu.
- Étude de exp : strictement croissante, convexe, asymptote y = 0 en −∞, tangente en 0 : y = x + 1, ex ≥ x + 1.
- Base a : ax = ex ln a ; (ax)′ = (ln a)ax ; croissante si a > 1, décroissante si 0 < a < 1.